滾動軸承的狀態檢測與故障診斷


滾動軸承是旋轉機械中的重要零件,統計表明,在使用滾動軸承的旋轉機械中,大約有30%的機械故障都是滾動軸承引起的。采用狀態檢測與故障診斷技術后,事故發生率可降低75%,維修費用可減少25%~50%。一、滾動軸承的失效形式(一)疲勞剝落滾動軸承的內外滾道和滾動體交替進入和退出承載區域,這些部件因長時間承受交變載荷的作用,首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生疲勞裂紋,繼而擴展到接觸表面在表層產生點狀剝落,逐步發展到大片剝落,稱之為疲勞剝落。(二)磨損由于滾道和滾動體的相對運動和塵埃異物引起表面磨損,潤滑不良會加劇磨損,結果使軸承游隙增大,表面粗糙度增加,降低了軸承運轉精度,因而也降低了機器的運動精度,表現為振動水平及噪聲的增大。(三)擦傷由于軸承內外滾道和滾動體接觸表面上的微觀凸起或硬質顆粒使接觸面受力不均,在潤滑不良、高速重載工況下,因局部摩擦產生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合,嚴重時表面金屬可能局部熔化,接觸面上作用力將局部摩擦焊接點從基體上撕裂。(四)斷裂當軸承所受載荷、振動過大時,內外圈的缺陷位置在滾動體的反復沖擊下,缺陷逐步擴展而斷裂。(五)銹蝕水分或酸、堿性物質直接侵入會引起軸承銹蝕。當軸承內部有軸電流通過時,在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產生電蝕,在表面上形成搓板狀的凹凸不平。二、滾動軸承的失效過程軸承失效通常劃分為四個階段:(一)第一階段:軸承的超聲頻率振動階段軸承最早期的故障是表現在250kHz~350kHz范圍的超聲頻率的振動異常,隨著故障的發展,異常頻率逐漸下降移到20kHz~60kHz,此時的軸承微小故障可被沖擊包絡和聲發射的方法檢測到,沖擊包絡值最大可達0.5gE(加速度包絡,振動分析中表示振幅的一個加速度指標)。(二)第二階段:軸承的固有頻率振動階段隨著軸承的運轉,軸承滾動表面會產生輕微的缺陷,這些輕微缺陷引起的振動會激起軸承部件的固有頻率(fn)振動或軸承支承結構共振,一般振動頻率在500Hz~2kHz。同時該頻率還作為載波頻率調制軸承的故障頻率。起初只能觀察到這個頻率本身,后期表現為在固有頻率附近出現邊頻。如果用加速度包絡法檢測會發現其包絡值會上升至0.5~1.OgE左右。此時,軸承仍可安全運轉。(三)第三階段:軸承缺陷頻率及其倍頻振動階段隨著軸承微小缺陷的進一步擴展,軸承缺陷頻率及其倍頻開始出現,隨著軸承磨損的進一步發展,更多缺陷頻率的倍頻開始出現,圍繞這些倍頻以及軸承部件固有頻率的邊頻帶數量也逐步上升。此時軸承的振動已經比較明顯,應考慮盡早更換軸承。(四)第四階段:軸承隨機寬帶振動階段軸承已經接近完全失效,軸承的壽命已經接近尾聲,甚至工頻也受其影響而上升并產生許多工頻的倍頻,而原先離散的軸承缺陷頻率和固有頻率開始"消失",取而代之是隨機的寬帶高頻"噪聲振動",高頻噪聲振動和包絡值有所下降,但就在軸承最終失效前,包絡沖擊值會大幅上升。三、滾動軸承的振動特征分析方法(一)特征參數法特征參數法的優點在于僅有少數指標用于解釋軸承的狀態,結果分析簡單和方便。在滾動軸承診斷中常用的特征參數包括有效值、峰值等各種時域特征參數和重心頻率等各種頻域參數。(三)頻譜分析法滾動軸承的振動其頻率成分十分豐富,既含有低頻成分,又含有高頻成分。每一種特定的故障都對應特定的頻率成分,需要通過適當的信號處理方法將特定的頻率成分分離出來,從而指出特定故障的存在。(三)包絡法包絡法的優點包括它能區分同時發生在同一個軸承中的數種故障特征的特征,將與故障有關的信號從高頻調制信號中取出,從而避免了與其它低頻干擾的混淆,具有極高的診斷可靠性和靈敏度。當軸承某一元件表面出現局部損傷時,在受載運行過程中要撞擊與它接觸的表面而產生沖擊脈沖力。由于沖擊脈沖力的頻帶很寬,包含軸承組件、軸承座、機器結構及傳感器的固有頻率,所以必然激起測振系統的共振。因此,測得的振動加速度信號包含著多個載波共振頻率,以及調制于其上的故障特征頻率和其諧波成分。從而可以根據實際情況選取某一共振頻率為中心,使微弱的軸承故障信號搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來,再對所測信號進行絕對值處理,之后采用低通濾波,即可獲得調制信號的包絡線,然后進行快速傅立葉變換FFT,即可得到包含故障特征頻率及其倍頻成分的低頻包絡信號,對包絡信號進行頻譜分析就可以很容易地診斷出軸承的故障來,這個過程也稱為共振解調。